孔溶液对水泥石干燥收缩的影响及其机理

王春兰

（重庆建工新型建材有限公司 重庆 400074）

1 绪论

混凝土是当前世界上用量最大的主要建筑结构材料，如何最大限度地克服其性能缺点，尤其如何增强其耐久性已成为当前研究的热点。变形开裂引起的耐久性问题是最为复杂的问题之一，干燥收缩贯穿于建筑物使用期，是引起变形开裂的重要因素，比较难控制，常引起建筑物外观乃至结构质量问题。

混凝土的收缩变形主要有：沉降收缩、自缩、碳化收缩、温度收缩、干燥收缩，另外还有两个常用的收缩概念是化学收缩和塑性收缩。在五种收缩变形中，干缩是时刻存在的，这是由于混凝土所处的环境相对湿度是不饱和且随时间变化的，所以混凝土自浇筑完成后就会有干缩发生。

混凝土中的水分存在于各种孔隙之中，水泥石中的水大致可以分为自由水、毛细孔水、凝胶水、结晶水四种形态。在RH变化时，自由水、毛细孔水和凝胶水都可能失去，从而带来水泥石的收缩。

本课题通过试验手段改变水泥石中孔溶液的性质，进而测量其干燥收缩和重量损失，研究水泥石收缩变形规律，探求水泥石收缩变形的本质，认知水泥石收缩的机制和机理，为寻找方法抑制混凝土的开裂，提高混凝土的耐久性提供依据。

2 试验原材料

2.1 水泥

试验中所用水泥为重庆地维42.5R级普通硅酸盐水泥，其水泥化学成分和物理性能见表1。

表1 42.5R级普通水泥的性能

2.2 化学试剂

试验中用于配制恒定相对湿度的试剂有化学纯的盐 （或者其结晶水合物）LiBr、CH3COOK、MgCl2、Mg(NO3)2、NaNO3、KCl试剂。

试验中用于置换孔溶液的试剂均采用分析纯的试剂有：Ca(OH)2、CaCl2、NaCl。

用于配制饱和溶液以及试件成型都采用去离子水。

3 孔溶液对水泥石收缩的影响

3.1 置换孔溶液的水泥石收缩、重量损失特点及参考系

置换孔溶液的水泥石的收缩和重量损失大致可以分为三个阶段，如图1所示。

图1 置换孔溶液的水泥石收缩和重量损失示意图

为了使所有孔溶液置换试验结果有一个合理的参照体系，试验中设计了一组用氢氧化钙的“置换”试验，把这一试验结果作为以下真正的孔溶液置换试验结果的基准试验。

水灰比为0.3、0.4、0.5的三种水泥石 （编号分别为1、2、3），室温下在饱和氢氧化钙溶液中养护28d和180d后，置换结束后分别在RH=84%、74%、54%、33%、22%、8%六个相对湿度下干燥，然后将水泥石试件回泡到饱和氢氧化钙溶液中，测定整个过程中水泥石的直径和重量变化。

对试验结果分析如下：

1号水泥石的试验结果表明，养护28d的试件在置换过程中，没有明显的体积和重量变化，这一试验结果证明了此时水泥石中孔溶液应为饱和氢氧化钙溶液。在干燥过程中，试件所处的环境相对湿度越低，失去的水量越多，水泥石的干燥收缩就越大。在再润湿过程中，水泥石吸水饱和后，重量与干燥前的重量几乎能够完全相等；高相对湿度下干燥产生的干燥收缩也在再润湿过程中基本能够完全恢复，低相对湿度下干燥产生的干燥收缩有少量不可恢复收缩。

养护180d的水泥石试件与养护28d的水泥石试件经过上述试验过程重量损失和收缩表现出类似的规律。与养护28d的水泥石试件相比，养护180d的水泥石试件在干燥过程中的相应的重量损失都变小了，除RH=8%之外，相应的长度损失也变小。在再润湿过程中，不可恢复收缩也变小了，重量损失变化不大。这些可以解释为水泥石后期的水化使得水泥石更加密实。

2号、3号水泥石经过上述试验过程，重量损失及收缩变形规律与水灰比为0.3的水泥石表现的规律相同。

3.2 饱和置换溶液置换孔溶液的水泥石收缩行为

本文采用饱和NaCl溶液、饱和CaCl2溶液作为置换溶液，置换实验方法与参照体系相同。

3.2.1 置换溶液为饱和NaCl溶液的水泥石收缩行为

水灰比为0.3的水泥石“置换——干燥——再润湿”过程，试验结果分别如图2所示。

图2 W/C=0.3，28d龄期，饱和NaCl溶液置换水泥石不同湿度下的长度损失和重量损失

从图2所示试验结果可知，在置换阶段，用饱和NaCl溶液置换出养护28d的水泥石的孔溶液，在置换过程中水泥石发生微小体积收缩，即图形的第一段（0～1440min）。在干燥阶段，用饱和NaCl溶液置换过孔溶液的水泥石的干燥收缩表现为与基准试件类似的干缩行为。

图3 W/C=0.3，180d龄期， 饱和NaCl溶液置换水泥石不同湿度下的长度损失和重量损失

从图3所示试验结果可知，用饱和NaCl溶液置换的养护180d的水泥石与养护28d的水泥石经“置换——干燥——再润湿”试验过程所得规律基本相同。只是在置换过程中，水泥石的收缩变小。

水灰比为0.4和0.5的水泥石经过“置换——干燥——再润湿”的试验过程，与水灰比为0.3的水泥石相比：在置换阶段收缩变化略有不同，干燥阶段和再润湿阶段分别与之对应的阶段水泥石的收缩变形规律一致，重量损失的规律则完全与之相同。

图4 饱和NaCl溶液置换过程中不同水泥石的收缩和重量损失

从图4可以看出，在置换过程中，水泥石重量损失为负值，这从侧面说明了饱和NaCl溶液确实与水泥石的孔溶液发生了置换。随着水灰比的增大而水泥石增重增大，龄期对重量损失的影响不明显。水泥石的收缩与水灰比和龄期均有影响，且随着水灰比的增大，收缩减小；而180d龄期的水泥石体积发生了膨胀。

图5 干燥过程中不同水泥石的收缩和重量损失

从图5可以看出，在干燥过程，干缩随着干燥湿度的增大而减小，近似成线性相关，相同龄期不同水灰比对干燥收缩的影响不大，重量损失也随着干燥湿度的增大而减小。

图6 再润湿过程中不同水泥石的可恢复收缩和重量损失

从图6可以看出，在再润湿过程中，可恢复的收缩随着湿度的增大而减小。

3.2.2 置换溶液为饱和CaCl2溶液时的水泥石收缩行为

相同的实验方法，把置换溶液换为饱和CaCl2溶液，进行“置换—干燥—再润湿”的实验，结果分别如以下所示(图7）。

图7 置换阶段饱和CaCl2溶液中不同置换水泥石的收缩和重量损失

从图7可以得知，置换阶段，水灰比和龄期对饱和CaCl2置换的水泥石的收缩和重量损失影响都比较大。28d龄期时，在置换过程中，水灰比0.3、0.4的水泥石重量减小并伴随较大的收缩，水灰比0.5的水泥石有明显的增重，并伴随着体积膨胀。180d龄期的水泥石，重量损失均为负值，即水泥石增重，且随着水灰比的增大增重越明显；收缩随着水灰比的增大而减小，水灰比为0.5时，水泥石体积发生膨胀。

图8 干燥过程中不同水泥石的收缩和重量损失

从图8可以看出，在干燥阶段，28d龄期的水泥石，随着干燥湿度增大重量损失和收缩均减小；水灰比0.3和0.4的水泥石的规律相近，水灰比0.5水泥石收缩和重量损失比其他2个水灰比的要低，且随干燥湿度增大变化更大，高湿度下变形太大使得水泥石翘曲、龟裂破坏。180d的水泥石，水灰比对收缩影响不大，重量损失随着水灰比增大有所增大，高湿度下由于吸湿的缘故，重量损失有些偏离。

图9 在饱和CaCl2溶液中再润湿过程中不同水泥石的可恢复收缩和重量损失

从图9可以得出，随着干燥湿度的增大，可恢复的重量损失和收缩都减小，水灰比0.4的水泥石可恢复的重量损失和收缩比水灰比0.3的要大；水灰比0.5的水泥石，可恢复的收缩和重量损失比0.4的要大；高湿度干燥的，与水灰比0.3、0.4的相当或更小。

3.2.3 小结

用无机盐置换孔溶液的水泥石，其收缩规律不尽相同。在置换阶段，置换溶液对收缩和重量损失的影响较大，低水灰比的时候，置换过程相对比较简单，而高水灰比的时候，置换过程则比较复杂，原因可能是水灰比较大时，孔径较大的孔隙比较多，置换溶液在进入置换，经过一段时间又使水泥石孔结构发生了变化，如孔径粗化，从而使得更多的溶液进入到水泥石的孔结构中，这种效果是递减的，经过一段时间后最终可以达到平衡。这种效果在高水化时比较明显。

4 结论

通过对置换孔溶液的水泥石进行干燥收缩试验，因置换溶液的不同，水泥石置换过程收缩和重量损失千差万别，干燥过程中水泥石的干燥收缩也异于用饱和Ca(OH)2溶液作为置换溶液的基准水泥石的干燥收缩，而在再润湿过程中，可恢复的收缩和重量损失与干燥程度密切相关。

通过上述试验研究与分析，得出如下结论：

（1）用溶液置换过的水泥石，在置换阶段，发生了体积变形，变形有收缩，也有膨胀。倘若将膨胀看成“负收缩”，则水泥石的收缩随着水灰比的增大而减小。180d龄期的水泥石收缩比28d的要小或基本相同。

（2）用溶液置换过的水泥石，再润湿过程中，有恢复到置换平衡状态的趋势。

[1]黄国兴，惠荣炎.混凝土的收缩[M].北京：中国铁道出版社，1990.

[2]杨长辉，王海阳，王冲等.混凝土的自生变形及其测定方法评述[J].混凝土与水泥制品，2004，(1)：11-14.

[3]康志坚.水泥石干缩收缩及其微观机理研究[D].重庆大学硕士论文，2007：21-28.

[4]杨长辉，王川，吴芳.水灰比对混凝土塑性收缩裂缝的影响[J].重庆建筑大学学报，2003，25(2)：77-81.

[5]刘涛，谭克锋.不同水胶比混凝土的收缩性能研究[J].西南科技大学学报，2006，21(2)：16-18.

[6]Stacey Perron，The Application of A.C.Impedance Spectroscopy on the Durability of Hydrated Cement Paste Subjected to Various Environmental Conditions[D].Dissertation of University of Ottawa， June 2001：2-6.